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Tabular Icebergs: Implications from Geophysical Studies of Ice Shelves*

Published online by Cambridge University Press:  20 January 2017

Sion Shabtaie
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
Charles R. Bentley
Affiliation:
Geophysical and Polar Research Center, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin 53706, U.S.A.
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Abstract

Recent geophysical and glaciological investigations of the Ross Ice Shelf have revealed many complexities in the ice shelf that can be important factors in iceberg structure. The presence of rift zones, surface and bottom crevasses, corrugations, ridge/troughs, and other features could substantially modify the hydraulics of iceberg towing and lead to disintegration in the course of transport.

The relationships between the elevation above sea-level and total ice thickness for three ice shelves (Ross, Brunt, and McMurdo) are given; from them, expressions for the thickness/freeboard ratios of tabular icebergs calved from these ice shelves are obtained. The relationships obtained from the measured values of surface elevation and ice thickness are in agreement with models derived assuming hydrostatic equilibrium.

Areas of brine infiltration into the Ross Ice Shelf have been mapped. Examples of radar profiles in these zones are shown. Absorption from the brine layers results in a poor or absent bottom echo. It is probable that little saline ice exists at the bottom of the Ross Ice Shelf front due to a rapid bottom melting near the ice front, and that the thickness of the saline ice at the bottom of icebergs calving from the Ross Ice Shelf is no more than a few meters, if there is any at all.

We have observed many rift zones on the ice shelf by airborne radar techniques, and at one site the bottom and surface topographies of (buried) rift zones have been delineated. These rift zones play an obvious role in iceberg formation and may also affect the dynamics of iceberg transport. Bottom crevasses with different shapes, sizes, and spacings are abundant in ice shelves; probably some are filled with saline ice and others with unfrozen sea-water. Existence of these bottom crevasses could lead to a rapid disintegration of icebergs in the course of transport, as well as increasing the frictional drag at the ice-water boundary.

Radar profiles of the ice shelf front at four sites in flow bands of very different characteristics are shown. In some places rifting up-stream from the front shows regular spacings, suggesting a periodic calving. Differential bottom melting near the front causes the icebergs to have an uneven surface and bottom (i.e. dome shaped).

Electrical resistivity soundings on the ice shelf can be applied to estimate the temperature-depth function, and from that the basal mass-balance rate. With some modifications, the technique may also be applied to estimating the basal mass balance rates of tabular icebergs.

Icebergs tabulaires: implications tirées des études géophysiques des. De récentes recherches géophysiques et glaciologiques du Ross Ice Shelf ont révélé bien des complexités de la calotte qui peuvent influer fortement sur la structure des icebergs. La présence de zones fissurées, de crevasses de surface ou de fond, de plissements, de crêtes et de sillons, et d’autres caractéristiques ont pu modifier substantiellement le comportement hydraulique de l’iceberg au remorquage et conduire á une désintégration pendant le cours du transport.

On donne les relations entre l’altitude au-dessus du niveau de la mer et l’épaisseur totale de la glace pour trois plateformes de glace (Ross, Brunt, et McMurdo); à partir de là on a obtenu des expressions pour le calcul de rapports épaisseur/hauteur émergée des icebergs tabulaires issus de ces plateformes. Les relations obtenues à partir des valeurs mesurées de l’altitude de la surface et de l’épaisseur de la glace concordent avec les modéles exprimant l’équilibre hydrostatique.

On a cartographié les zones d’infiltration d’eau salée dans le Ross Ice Shelf. On montre des exemples de profil radar dans ces zones. L’absorption par les niveaux de saumure se traduit par un écho de fond faible ou nul. Il est probable qu’un peu de glace saline existe au fond du front du Ross Ice Shelf à cause d’une fusion de fond rapide près du front de glace et que l’épaisseur de la glace saline, si elle existe, au fond des icebergs issus du Ross Ice Shelf n’est pas moindre que quelques mètres.

Nous avons observé beaucoup de zones fissurées sur la plateforme de glace par les techniques de radar aéroporté, et, sur un de ces sites la topographie du fond et de la surface des zones fissurées (enfouies) ont été délimitées. Ces zones fissurées jouent un rôle évident dans la formation des icebergs et peut aussi affecter la dynamique du transport des icebergs. Les crevasses de fond de différentes tailles, formes et espacements sont abondantes dans les plateformes de glace; quelques unes sont probablement remplies par de la glace saline et d’autres par de l’eau de mer non gelée. L’existence de ces crevasses de fond pourrait conduire á une rapide désintégration des icebergs dans le cours du transport, ainsi qu’à l’accroissement de la résistance de frottement à l’interface glace-eau.

On montre les profils radars de la falaise de la plateforme en quatre points sur des lignes de courant de caractéristique très différentes. En quelques points les fissures à l’amont de la falaise présentent des espacements réguliers suggérant l’hypothèse d’un vêlage régulier. Des fusions différentielles au fond prés de la falaise explique que les icebergs ont une face inférieure inégale (c’est â dire en forme de dôme).

Les sondages de résistivité électrique sur la plateforme peuvent servir à estimer la fonction température/profondeur, et par là le bilan de masse au fond. Avec quelques modifications, la technique peut également servir à estimer le bilan de masse au fond des icebergs tabulaires.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Tafeleisberge: Folgerungen aus geophysikalischen Studien von Schelfeisen. Neuere geophysikalische und glaziologische Untersuchungen am Ross Ice Shelf haben viele Verwicklungen im Sehelfeis zu Tage gebracht, die für die Struktur von Eisbergen von Bedeutung sein können, Das Auftreten von Pressungszonen. Grund- und Oberflächenspalten. Verlegungen, Rücken und Trögen sowie anderer Erscheinungen könnte die hydraulischen Verhältnisse beim Abschleppen eines Eisberges wesentlich verändern und zum Auseinanderbrechen im Laufe des Transportes führen.

Für drei Schelfeise (Ross, Brunt, und McMurdo) werden die Beziehungen zwischen der Höhe über dem Meeresspiegel und der gesamten Fisdicke angegeben; daraus lassen sich Ausdrücke für das Verhältnis Dicke zu Höhe über Wasser von Tafeleisbergen, die von diesen Schelfeisen kalbten, herleiten. Die Beziehungen, die aus den Messwerten der Oberflächenhöhe und der Eisdicke hergeleitet wurden, stimmen mit Modellen überein, die auf der Annahme eines hydrostatischen Gleichgewichts beruhen.

Die Gebiete mit Sole-Infiltration in das Ross Ice Shelf wurden kartiert. Beispiele für Radarprofile in diesen Zonen werden dargestellt. Die Absorption in Soleschichten führt zu einem schwachen oder fehlenden Echo an der Unterseite. Vermutlich gibt es an der Unterseite der Front des Ross Ice Shelf infolge der dort herrschenden schnellen Abschmelzung nur wenig salzhaltiges Eis; die Dicke salzhaltigen Eises am Untergrund von Eisbergen aus dem Ross Ice Shelf beträgt daher höchstens ein paar Meter,—wenn es dort überhaupt vorhanden ist.

Wir konnten mit Radarsondierungen aus der Luft viele Grabenzonen auf dem Schelfeis beobachten; an einer Stelle wurde die Topographie von verdeckten ürabenzonen an der Oberfläche und der Unterseite aufgezeichnet. Diese Zonen spielen offensichtlich bei der Bildung von Eisbergen eine Rolle und dürften auch die dynamischen Verhältnisse bei einem Eisbergtransport beeinflussen. Im Schelfeis gibt es zahllose Grundspalten mit verschiedenen Formen. Grössen und Abständen; teilweise sind sie vermutlich mit salzhaltigem Eis erfüllt, andere enthalten ungefrorenes Meerwasser. Das Vorhandensein dieser Grundspalten könnte zu einein raschen Zerfall von Eisbergen während des Transportes führen, ebenso aber zu einer Zunahme des Reibungswiderstandes an der Grenze von Eis und Wasser.

Von vier Stellen in Fliessbändern sehr verschiedener Art werden Radar-Profile der Schelfeis-Barriere wiedergegeben. An einigen Orten weisen die Graben eiseinwärts von der Barriere regelmässige Abstände auf, wus auf periodische Kalbungen schlössen lässt. Unterschiedliche Abschmelzung am Untergrund in der Nähe der Barriere verursacht Unebenheiten auf der Oberfläche und am Untergrund der Eisberge (Gewölbeform).

Zur Abschätzung des Verlaufs der Temperatur mit der Tiefe und daraus der Massenbilanzrate am Untergrund können Sondierungen der elektrischen Leitfähigkeit herangezogen werden. Mit einigen Abänderungen lässt sich diese Technik auch zur Abschätzung der basalen Massenbilanzraten von Tafeleisbergen anwenden.

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Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1982
Figure 0

Fig. 9. Airborne radar profiles normal to the Ross Ice Shelf front. (a) Crossing at 13° S., 1° 50’ E. (grid) in flow band from Byrd Glacier. Note absence of bottom cracks. (b) Crossing at 11° 45’ S., 0° 20’ W. (grid), showing abundant hyperbolic reflections from bottom and near-bottom irregularities, one or two possible buried rifts, and reflections from presumed saline-ice layers. (c) Crossing at 11° 17’ S., 3° 20’ W. (grid) showing a distinct buried rift. (d) Crossing at 11° 17’ S., 3 °40’ W. (grid) showing several possible buried rifts and one rift, indicated by arrows, reflected in the surface about 1 km from the barrier. The profiles in (a) and (b) are from the 1974–75 NSF-SPRI-TUD radio-echo sounding flights. Repeated echoes in (c) and (d) are from ringing, not internal echoes.

Figure 1

Fig. 1. Surface elevation and ratio of ice thickness to elevation as a function of ice thickness for three ice shelves. Dots and circles show measured values; solid straight lines are least-squares fit to the data; solid curves of H/h are calculated from the straight lines. (a) Ross Ice Shelf; dashed lines refer to the theoretical relation described in the text. (b) Brunt Ice Shelf; data are from Thomas (1973), dots and circles indicate two different profiles. (c) McMurdo Ice Shelf; data are from Kovacs and Gow (1975) (circles), Kovacs and Gow (1977) (dots), and Hochstein and Risk (1967) (asterisk); dashed lines are based on the theoretical model described in the text.

Figure 2

Fig. 2. Surface elevation and ice thickness (depth) along four parallel profiles 0.5 km apart on the Ross Icc Shelf. Surveyed elevations are given relative to an assumed datum taken to approximate hydrostatic equilibrium. Note 40:1 ratio between depth and elevation scales.

Figure 3

Fig. 3. Maps of surface elevation and ice thickness in the area of the profiles of Figure 2. The thin lines represent survey lines. Contour intervals are 0.1 m for elevation and 5 m for ice thickness. Shaded areas show elevations less than 53.8 m and thicknesses less than 370 m. The long arrow shows the location of the profile of Figure 4.

Figure 4

Fig. 4. Profile along a line normal to the trend of the ridge/trough system shown in Figure. 3. The photograph at the top is a reproduction of the radar profile. Small circles show observed points of surface elevation and corresponding points on the continuous ice thickness profile.

Figure 5

Fig. 5. Surface elevation (upper) and radar (lower) profiles across (left) and along (right) a valley on the Ross Ice Shelf. The profiles intersect at the elevation minimum. The strong hyperbolic reflector in the grid east-west radar profile comes from a reflector at a depth of about 100 m. The distance scale for the east-west profile is slightly non linear.

Figure 6

Fig. 6. Map of she Ross Ice Shelf, showing flow vectors (Thomas, 1976 and personal communication, 1980) and flow hand boundaries (dashed lines; Bentley and others, 1979). Dolled zones exhibit poor to non-existent radar echoes; the hachured zone exhibits variable reflectivity. The long, heavy line indicates the approximate boundary between East Antarctic and West Antarctic ice. The short heavy arrows marked (a) to (d) refer to radar profiles shown in Figure 8. “F6”, “KI3”. etc. are station identifiers.

Figure 7

Fig. 7. Radio-echo profiles of brine Infiltration zones on the Ross Ice Shelf. (a) (top) Examples of radar profiles recorded on the surface at stations shown (i.e. K15, P16, etc.); these zones are shown in Figure 6. An example of A display is shown for station K15 at the location where there is no bottom reflection. Each station is located in a different zone (i.e. zone ‘1’,‘2’, and ‘5’). (b) (bottom) Examples of a few stations located in one zone (i.e. stations K17, L18, and Q16 in zone ‘3’) down-stream from each other. Stations K17 and Q16 show examples of multilayer brine infiltration.

Figure 8

Fig. 8. Airborne radar profiles of rifts in the Ross Ice Shelf at locations indicated in Figure 6. Repeated echoes are from ringing, not internal reflectors. Note that 1 m of ice on the vertical scale corresponds to 1.73 in in the air.